ITER, 미래의 에너지가 될 수 있을까? (3) "연료, 삼중수소는 충분한가 "

기초과학 / 문광주 기자 / 2021-08-01 15:26:01
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* ITER과 미래의 핵융합로는 중수소와 삼중수소의 혼합물을 사용
* 현재 전 세계의 총 삼중수소 공급량은 20kg 미만으로 감소하는 경향
* 삼중수소 생산에 대한 추가 수요가 여전히 충족되고 수익성이 있을지는 두고 봐야

삼중수소의 문제. 핵융합로를 위한 연료는 충분할까?

수십 년 동안 핵융합은 미래의 에너지이자 모든 에너지 및 기후 문제의 해결책으로 추진되었다. 그러나 그 방법은 시간이 많이 걸리고 험난하다. 모든 것에 논쟁의 여지가 있다. 

ITER의 후속 계획과 같이 핵융합로를 사용한 발전이 값비싼 실수라고 믿는 과학계의 목소리도 있다.  

▲ 단일 양성자 수소(위)와 두 개의 무거운 동위원소. © ttsz / 게티 이미지


이유 중 하나는 핵융합이 수십 년 동안 연구되었지만 일부 문제는 ITER에서도 완전히 해결되지 않았다.

전 세계적으로 단 20kg의 삼중수소

그중 하나가 연료 공급이다.
ITER과 미래의 핵융합로는 중수소와 삼중수소의 혼합물을 사용한다.

둘 다 하나 또는 두 개의 추가 중성자가 있는 수소의 동위 원소다. 중수소는 물에서 비교적 쉽게 농축될 수 있지만 삼중 수소는 상황이 다르다.

이 수소 동위원소는 방사성이고 반감기가 약 12년으로 붕괴되기 때문에 자연에서 가장 작은 양의 삼중수소만 발견된다. 결과적으로 지구의 전체 생물권에는 약 3.5kg의 천연 삼중수소만 포함되어 있으며 대부분이 바닷물에 있다. 동위 원소는 또한 원자로의 부산물로 생성되며, 중성자 복사는 중수로 감쇠되며 원자로의 연료 요소에서 생성된다.

문제:
방사성 잔류물에서 삼중수소를 분리하는 것은 복잡하고 회수 가능한 양이 극히 적다.
현재 전 세계의 총 삼중수소 공급량은 20kg 미만으로 감소하는 경향이 있다. 이 동위 원소가 생산되는 칸두(Candu) 원자로는 루마니아와 인도를 포함한 소수의 국가에서만 사용되기 때문이다.
▲ ITER에는 삼중수소 생성을 위한 자체 테스트 시설이 있다. 다양한 테스트 모듈이 차폐 블랭킷에 통합돼 있다(오른쪽). © ITER

트리튬 자체 제작

ITER은 플라즈마 당 단지 몇 그램의 삼중수소만 필요로 하며 그중 일부는 회수된다.
그러나 계획된 작동 수명의 15년 동안 핵융합 장치에는 약 20kg이 필요하므로 전 세계 삼중수소 공급량과 맞먹는다. ITER 컨소시엄이 인정하듯이 미래의 핵융합 발전소는 훨씬 더 많은 삼중수소를 필요로 할 것이다. 이 말은 "ITER 이후 핵융합 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 외부 삼중수소 공급원은 없다"는 뜻이다.

이것은 핵융합을 통한 발전이 실제로 시작되기 전에 보충 문제가 있다는 것을 분명히 한다.
그러나 핵융합로가 자체적으로 삼중수소를 생산할 수 있기 때문에 실제로 이 딜레마에서 벗어날 수 있는 방법이 있다.

이것은 핵융합 과정에서 방출된 고에너지 중성자가 리튬 동위원소 Li-6에 부딪힐 때 발생한다. 이 포격 동안 리튬은 헬륨과 삼중수소로 분해된다. ITER 컨소시엄에 따르면 상업용 핵융합로가 1기가와트의 열 출력에 필요한 70kg의 삼중수소를 생산하려면 140kg의 리튬-6이 필요하다.

삼중수소 생산은 이루어질까?

특히, 삼중수소 생산은 플라즈마 용기의 내벽을 보호하는 보호 갑옷인 소위 블랭킷의 핵융합 반응기에서 발생한다. 각각 무게가 4.5톤에 달하는 ITER의 440 블랭킷 모듈은 베릴륨으로 만든 제거 가능한 첫 번째 벽과 구리와 스테인리스 스틸로 만든 두꺼운 판으로 구성된다. 냉각수가 플레이트를 통해 흐른다.

블랭킷의 역할은 핵융합 과정에서 생성된 빠른 중성자를 가로채고 운동 에너지를 열로 변환하는 것이다. 핵융합 발전소에서 이것은 전기를 생산하는 데 사용된다. 블랭킷으로 삼중수소를 생산하려면 플레이트에 액체 형태의 리튬이 포함되어야 한다. 예를 들어 235도에서 녹는 리튬 납(LiPb) 형태나 세라믹 리튬 실리케이트(Li4SiO4)와 같은 고체 리튬 화합물이 포함되어야 한다.
▲ 중수소와 삼중수소 원자핵이 융합하여 헬륨 핵을 형성하여 입자의 빠른 중성자와 운동 에너지를 방출한다.

액체 또는 고체?

그러나 두 형태의 리튬은 실제적인 단점이 있다.
액체 리튬 납은 핵융합 반응기의 자기장과 상호 작용하므로 블랭킷의 금속 벽과 격리되거나 흐르는 것을 방지해야 한다. 고체 리튬 화합물에는 문제가 없는데, 대신 작동 중에 재료를 교체할 수 없다. 사용한 삼중수소를 교체하려면 전체 블랭킷 모듈을 교체해야 한다.

ITER에는 다양한 버전의 "브리더 블랭킷"을 장착할 수 있는 리튬-6에서 삼중수소 생산 테스트를 위한 여러 벽 모듈이 있다. 여기에는 액체 리튬 납, 고체 리튬 및 두 가지 다른 냉각 방법이 포함된 블랭킷이 포함된다.

이러한 브리더 블랭킷과 함께 모듈을 원격으로 교환할 수 있고 재료에서 생성된 삼중수소를 분리하고 추가로 처리할 수 있는 전체 시스템이 있다.
"따라서 테스트 블랭킷은 빙산의 일각에 불과하다"고 삼중수소 생산을 위한 ITER 테스트 프로그램의 마리오 메롤라( Mario Merola)가 설명했다. 어쨌든 ITER의 주요 임무는 이러한 유형의 삼중수소 생산 가능성을 증명하는 것이다.

리튬은 어디에서?

ITER은 이러한 형태의 삼중수소 생성만 테스트할 것이지만 나중에 핵융합 발전소는 이 기술을 사용해 필요한 삼중수소를 완전히 공급할 수 있어야 한다.
▲ 네바다의 마른 소금 호수에서 추출한 리튬. © Doc Searls / CC-by-sa 2.0

원자재 문제가 단순히 한 단계 더 나아가지 않을 것인지에 대한 의문이 제기된다.
리튬은 또한 주로 리튬 이온 배터리의 필요성으로 인해 전 세계적으로 곧 희소해질 수 있는 희소 원료로 간주되기 때문이다. 동위원소 리튬-6은 리튬의 7%만 차지하고 나머지는 리튬-7이다.

ITER의 추정에 따르면 각각 1기가와트의 전기를 사용하는 1만개의 융합 발전소에 연간 약 5천 톤의 리튬-6이 필요할 것이다. 2019년에 두 동위 원소로부터 리튬의 총 생산량은 7만7000톤으로 추산되었다. 삼중수소 생산에 대한 추가 수요가 이 원료에 대한 치열한 경쟁을 고려할 때 여전히 충족되고 수익성이 있을지는 두고 봐야 한다. (계속)

[더사이언스플러스]

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